Image Processing Applications for 6 Degrees of Freedom (DOF) Underwater Vehicle and Manipulator System

Öz

Robotics applications have been gaining considerable prominence in military and industrial fields. Researches on marine robotics and underwater vehicles focus on the benefits of use of the robot arm and its underwater applications. For instance; underwater vehicles can be used for shipwreck research, environmental analysis, archaeological research, underwater specimen collection and sub-ship inspection. In the study, the 2-axis robot arm (manipulator) prototype has been implemented for underwater vehicles that are intended to be used in underwater operations that people cannot reach or have difficulty in reaching. The prototype performs Rotational-Rotational (RR) movement. It is integrated into a 4 degree of freedom underwater vehicle and can grasp by the gripper end effector located in front of the vehicle. The manipulator movement is fulfilled by visual feedback of the error from the target to be grasped to the end-effector with a camera. The image processing software required for this process has been prepared by using OpenCV libraries in the C programming language on the Raspberry Pi 3 development board. The image taken from the camera has been converted by RGB-HSV conversion into the format on which the image will be processed. The vehicle is aimed to perform an assigned task autonomously refer to real-time data from the camera. Appropriate algorithms have been prepared for searching, discovering and gripping an object. In surface tests, an object and it’s location were determined based on color information with real time image taken from the camera. The manipulator moved automatically with the proportional control method and capture the object 20 cm away from itself within 20 seconds. There have been problems with object capturing during underwater tests. However, it is possible to increase the performance by using more suitable cameras on the prepared system infrastructure.

Anahtar Kelimeler

• Underwater Vehicles
• Biaxial Manipulator
• RGB-HVS Transformation

6 Serbestlik Dereceli Sualtı Aracı ve Manipülatör Sistemi ile Görüntü İşleme Uygulamaları

Öz

Endüstriyel ve askeri alanlarda, akıllı sistemler ve robotik uygulamaları giderek önem kazanmaktadır. Deniz robotiği ve sualtı araçları üzerine olan araştırmalar, robot kolu ve bunun sualtında bize sağladığı pozitif etkiler üzerine yoğunlaşmaktadır. Örneğin, batık araştırması, çevresel analizler, arkeolojik araştırmalar, sualtında örnek toplama işlemleri, gemi altı incelemesi ve tamiratında sualtı araçları kullanılmaktadır. Bu çalışmada, insanın ulaşamayacağı ya da ulaşmakta güçlük çektiği sualtı işlemlerinde kullanılması amaçlanan sualtı araçları için 2 eksenli robot kol (manipülatör) prototipi tasarlamıştır. Prototip, Rotasyonel-Rotasyonel (RR) hareketi yapmaktadır. 4 serbestlik dereceli bir sualtı aracına entegre edilmiştir ve uçta bulunan kıskaç ile cismi kavrayabilmektedir. Manipülatör hareketi, kavranacak nesneyle uç işlevci arasındaki mesafenin kameradan görsel geri bildirimi aracılığıyla yapılmaktadır. Bunun için gerekli görüntü işleme yazılımı, Raspberry Pi 3 geliştirme kartı üzerinde C Programlama dilinde OpenCV kütüphaneleri kullanılarak hazırlanmıştır. Kameradan alınan görüntü, RGB-HSV dönüşümü ile üzerinde görüntü işleme yapılacak formata dönüştürülmüştür. Aracın kameradan alınan gerçek zamanlı veriler ışığında, verilen bir görevi otonom olarak yerine getirmesi hedeflenmiştir. Arama, bulma ve cisim kavrama süreçleri için uygun algoritmalar hazırlanmıştır. Su üstü testlerinde kameradan alınan gerçek zamanlı görüntü ile renk bilgisine dayalı olarak nesne ve konum tespiti yapılmıştır. Manipülatör, oransal denetim yöntemi ile otomatik olarak ilerleyerek kendinden 20 cm uzaktaki bir nesneyi 20 sn içinde yakalamıştır. Sualtı testlerinde nesne yakalamada sorunlar yaşanmıştır. Ancak hazırlanan sistem altyapısı üzerinde daha uygun kameralar kullanılarak başarımı arttırmak mümkündür.

Anahtar Kelimeler

• Sualtı Robotları
• RGB-HSV Dönüşümü
• İki Eksenli Manipülatör

Kaynakça

1. Adar, G., Ören, H., & Kozan, R. (2013). 5 serbestlik dereceli robot kolunun modellenmesi ve kontrolü, SAÜ. Fen Bil. Der. 17(1), 155-160.
2. Antonelli, G. (2014). Underwater Robots, 3rd ed., Springer International Publishing, Switzerland.
3. Aras, M.S.M., Aripin, M.K., Nor Azmi, M. W., Khamis,A., Zambri, M. K. M., & Ab Halim, M. F. M. (2017). 3 DOF small scale underwater manipulator-Gripper for unmanned underwater vehicle, Proceedings of the IEEE 7th International Conference on Underwater System Technology: Theory and Applications (USYS), Kuala Lumpur, 123-126.
4. Ataman, H. (2017). Sualtı Aracı İçin 3 Eksenli Manipülatör Tasarımı, Lisans Bitirme Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektronik ve Haberleşme Bölümü, 3-4, Kocaeli.
5. Boughdiri, R., Nasser, H., Bezine, H., M'Sirdi, N. K., Alimi, A. M., & Naamane, A. (2012). Dynamic modeling and control of a multi-fingered robot hand for grasping task, Procedia Engineering,41, 923- 931.
6. Cai, M. ,Wang, Y. , Wang, S. , Wang, R. , Ren, Y,, & Tan M (2020). Grasping Marine Products With Hybrid-Driven Underwater Vehicle-Manipulator System, IEEE Transactions On Automation Science And Engineering, 17(3), 1443-1454.
7. Choy, J. L. C., Wu, J., Long, C., & Lin, Y.-B. (2020). Ubiquitous and Low Power Vehicles Speed Monitoring for Intelligent Transport Systems, IEEE Sensors Journal, Early Access, 1-10.
8. Conker, Ç., & Karaca, A. (2019). Bulanık Mantık Esaslı Karar Destek Sistemi ile Robot Elin Kuvvet Kontrolü, DEU FMD 21(62), 433-447.

9. Çölgeçen, M. C. (2019). Sualtı Aracında Bulanık Mantık Yöntemiyle Derinlik Kontrolü Uygulamaları, Lisans Bitirme Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektronik ve Haberleşme Bölümü, 21-22, Kocaeli . Ergan, A. F. (2014). Sualtı Deney Platformu İçin Donanım Ve Kullanıcı Arayüzünün Tasarlanarak Gerçeklenmesi, Y.Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi FBE Elektronik ve Haberleşme AD, 69-70, Kocaeli.
10. Fossen T. I. (1991). Nonlinear Modelling and Control of Underwater Vehicles, Norwegian Institute of Technology.
11. Hu, Z., Zhu, X., Tu, D., Zhang, X., & Wang, M. (2019). Manipulator Arm Interactive Control in Unknown Underwater Environment, Proceesings of the 2nd World Conference on Mechanical Engineering and Intelligent Manufacturing (WCMEIM), 494-497, Shanghai, China.
12. Kanda, T., Ishiguro, H., Ono, T., Imai, M., & Nakatsu R.( 2002). Development and Evaluation of an Interactive Humanoid Robot “Robovie”, Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics Automation, USA, 1848-1855.
13. Katibeha, F., Eghtesadb, M., & Bazargan-Laric, Y. (2016). Dynamic modeling and control of a 4 DOF robotic finger using adaptive-robust and adaptive-neural controllers, International Journal of Robotics, 4(4), 51-61.
14. Kılcı, S. B., (2020). Dört Serbestlik Dereceli Sualtı Aracının Dinamik Modellenmesi ve Benzetim Çalışmaları, Y.Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi FBE Elektronik ve Haberleşme AD, 36, Kocaeli.
15. Kulaç, O. (2019). STM32 ile Otonom Araç Kontrolü, Lisans Bitirme Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektronik ve Haberleşme Bölümü, 14-23, Kocaeli.
16. Manu, D. K., & Karthik, P. (2020). Development and Implementation of AUV for Data Acquisition and Image Enhancement, International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT), 9(4), 2088-2093.
17. Mangipudi, C. P., & Li, P. Y. (2019). Vision based Passive Arm Localization Approach for Underwater ROVs Using a Least Squares on SO(3) Gradient Algorithm, Proceedings of the American Control Conference (ACC), 5798-5803, Philadelphia.
18. Michalec, R, (2011). Modeling and control of multifingered dextrous manipulation for humanoid robot hands. PhD Thesis, Université Pierre et Marie Curie-Paris VI, Paris, 588.
19. Nishida, Y., Ahn, J., Sonoda, T., Watanabe, K., Ura, T., Yasukawa, S., & Ishii, K. (2019). Benthos Sampling by Autonomous Underwater Vehicle Equipped a Manipulator with Suction Device, IEEE Underwater Technology (UT), 1-4, Kaohsiung.
20. Periasamy, T., Asokan, T., & Singaperumal, M. (2012). Investigations on the dynamic coupling in AUV-manipulator system and the manipulator trajectory errors using bond graph method, International Journal of Systems Science, 43(6), 1104-1122. Routray, S., John, A. T., Syed, A., & Jadhavi P. (2019). Inverse Kinematics Solution for a Robotic Arm Through Geometric and Iterative Fusion Based Modelling, IEEE International Conference on Distributed Computing, VLSI, Electrical Circuits and Robotics (DISCOVER), 1-7, Manipal.
21. Şahbaz, A. (2018). Sualtı Aracı İçin Manipülatör Tasarımı, Lisans Bitirme Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektronik ve Haberleşme Bölümü, 45-52, Kocaeli.
22. Tolstonogov, A.Y., Dzyaman, M. A., Sebto, A.Y., Filonov, I.V., & Chemezov, I. A. (2019). The compact ROV with Variable Center of Gravity and its Control, IEEE Underwater Technology (UT), 1-7, Kaohsiung, Taiwan.
23. Yılmaz, S., & Kılcı, S.B. (2019). İnsansız Sualtı Araçlarının Kinematik Modellenmesi, Uluslararası Marmara Fen ve Sosyal Bilimler Kongresi, Kocaeli, 550-557.